Dat de CO2-uitstoot wereldwijd fors omlaag moet, is evident, te beginnen bij de opwekking van energie. Maar het duurzaam maken van de energieopwekking is een moeizaam proces. Op dat gebied kunnen we heel wat leren van onze oosterburen, waar de Energiewende langzaam, maar gestaag vordert. Hoe doen ze dat toch? De Ingenieur ging op bezoek in Baden-Württemberg, de groenste deelstaat van Duitsland.

tekst ir. Jim Heirbaut

In het Zwarte Woud hebben de bomen begin oktober alle mogelijke tinten groen, bruin en geel aangenomen. Overal liggen beboste heuvels en tot in de verste verte zijn geen huizen te bekennen. Het is duidelijk waarom veel Nederlanders zo graag vakantie houden in dit deel van Duitsland: het is idyllisch, dunbevolkt en erg rustig.

Ineens wordt die rust doorbroken door een zacht zoeven. Het geluid komt van een gigantische windmolen, even verderop, die is begonnen met draaien. Een ingenieur – fluorescerend hesje, helm, modderige veiligheidsschoenen – heeft zijn busje onderaan de mast geparkeerd en legt binnen de laatste hand aan het inregelen van de windturbine. Over een paar weken zullen aan de voet van de molen vertegenwoordigers van provincie, windmolenbouwer en investeerders hun glazen tegen elkaar klinken, proostend op het afronden van dit windproject, Prechtaler Schanze II genaamd.

Mix van duurzame bronnen

De deelstaat Baden-Württemberg in het uiterste zuidwesten van Duitsland, tegen de grens met Frankrijk, waar het Zwarte Woud in ligt, is eigenlijk helemaal niet zo geschikt voor windenergie. Alleen op de heuvelruggen waait de wind op 150 m hoogte gemiddeld hard genoeg om het plaatsen van windmolens rendabel te maken. En toch werkt Baden-Württemberg toe naar een mix van duurzame energiebronnen, zo vertelt Sébastien Oser, directeur van het competence center Energie bij het Regierungspräsidium Freiburg – zeg maar het provinciehuis. Het moet wel, want de deelstaat heeft zichzelf ambitieuze doelen opgelegd.

‘In het jaar 2020 moet 38 % van de totale energie in Baden-Württemberg komen uit duurzame bronnen als zon, wind, biomassa en waterkracht.’ Nu is dat nog 23 % en in 2050 moet het 80 % zijn. Baden-Württemberg is al langer een groene deelstaat – de eerste Duitse groene Partij werd hier opgericht en de minister-president van de deelstaat is groen – maar de Energiewende is inmiddels een landelijk megaproject.

Fukushima

Die Duitse energietransitie is ingezet door bondskanselier Angela Merkel, die de boel versnelde na de kernramp bij het Japanse Fukushima in 2011. Onder leiding van Merkel, gepromoveerd natuurkundige, besloot Duitsland om zo snel als mogelijk alle zeventien kerncentrales in het land te gaan sluiten; in 2022 moet deze Atomausstieg een feit zijn. Er zijn al negen kerncentrales uitgezet.

Om die wegvallende productiecapaciteit op te vangen zijn overal in Duitsland windparken verschenen, zonnepanelen op daken geplaatst en groene energiecoöperaties opgericht. Het land laat aan andere industriële landen zien hoe het moet. Dat Duitsland daarbij ook problemen tegenkomt, is logisch, en ook van die ervaringen kunnen andere landen profiteren.

Selectieprocedure

Terug naar de eerder genoemde windturbines op de heuvel. Die staan niet op zomaar een plek, zo legt Oser op het provinciehuis uit. Prechtaler Schanze II is het resultaat van een uitgekiende selectieprocedure. Het dagelijkse werk van Oser is het plannen van windparken in de regio Freiburg. ‘Die uitdaging is meerledig: om te beginnen waait het in het zuidelijke Baden-Württemberg veel minder dan bijvoorbeeld in noordelijke deelstaten als Schleswig-Holstein en Niedersachsen. De tweede horde zit hem in de vergunningverlening voor windparken.’

Ter illustratie projecteert hij een kaart van een gebied op de muur. Hij maakt de gebieden zwart die om een of andere reden moeten afvallen. ‘Om windmolens te laten draaien is op een hoogte van 100 m een bepaalde gemiddelde windsnelheid nodig. Die wordt lang niet overal gehaald.’ Streep. Vervolgens maakt hij achtereenvolgens zwart: natuurreservaten, beschermde bossen en het leefgebied van het bedreigde auerhoen, dat wat wegheeft van de kip. ‘Daarvan zijn er in het hele Zwarte Woud nog maar vijfhonderd over. Vervolgens mogen we geen windturbines plaatsen binnen 500 m van woningen en dan blijft er nog maar een handjevol mogelijke locaties over.’ Dit zijn, bijna zonder uitzondering, de ruggen van idyllische, beboste heuvels, ver van de bewoonde wereld. Om de duurzaamheidsdoelen te halen móet de provincie op die plekken dus wel windmolens neerzetten.

Wij zijn niet per se groene mensen, eigenlijk zijn we hier juist heel conservatief.

Tegelijkertijd zijn dit de plekken die toeristen, onder wie traditioneel veel Nederlandse, zo waarderen aan het Zwarte Woud. Door de strenge procedure die voorafgaat aan het verlenen van een vergunning, loopt de provincie enorm achter op het voor 2020 geplande aantal windturbines. Oser: ‘Gelukkig zijn er zowel vorig jaar als dit jaar honderd vergunningen afgegeven, dus er komt nu een bouwpiek aan. We zijn weer iets optimistischer dat we onze doelen gaan halen.’

Zelf windmolens bouwen

En niet alleen de overheid bouwt windturbines. Toen Duitsland een teruglevertarief invoerde voor duurzaam opgewekte stroom aan het net, waren er ook mensen die daar wel brood in zagen. Zij toonden ondernemerschap, richtten coöperaties op en gingen zelf windmolens bouwen. Een voorbeelddorp in de regio is Freiamt, een dorpje van ruim vierduizend inwoners in het Zwarte Woud, een uurtje rijden van de verlaten heuvels van Prechtaler Schanze II. Ook hier is het prachtig, met glooiende hellingen en rustige straten vol vakwerkhuizen.

In het dorpshuis staat de burgemeester ons al op te wachten. Hannelore Reinbold-Mench, advocaat van beroep en burgemeester sinds 2001, is een kleine, pittige dame van in de vijftig. Haar felle donkere ogen glinsteren als ze vertelt over de ondernemerszin in haar dorp. In 2001 al sloegen de eerste boeren in het dorp de handen ineen om enkele windmolens op hun grond te laten bouwen. Dat klinkt behoorlijk progressief allemaal, en groen ook. ‘Nou nee. Wij zijn niet per se groene mensen, eigenlijk zijn we hier juist heel conservatief. Je moet weten dat 40 à 50 km verderop in Frankrijk, hier net over de grens, de oudste kerncentrale van dat land staat. Die boezemt de mensen hier al sinds het begin angst in. Wij willen maar één ding en dat is hier gewoon blijven wonen.’

Protesten tegen kerncentrale

De koppigheid van de mensen in het gebied werd geïllustreerd in de jaren zeventig, toen Duitsland in Wyhl, een plaatsje aan de Rijn, een grote kerncentrale wilde bouwen. Rap mobiliseerden met name boeren uit de omgeving zich. Ze protesteerden tegen de plannen van de regering, op straat en in de rechtszaal. Ze waren bang voor de dampen die uit de hoge koeltorens zouden komen, voor de opwarming van de rivier, maar vooral voor de plannen om van het Rijndal een soort tweede Ruhrgebied te maken. De rechtszaken leidden tot steeds maar het uitstellen van de bouw van de centrale en uiteindelijk zelfs tot afstel.

Maar door ze alleen conservatief te noemen zouden we de inwoners van Freiamt te kort doen, want ze bleken ook pragmatisch. ‘Tegen het eind van de jaren negentig liep het toerisme in ons gebied terug en tegelijkertijd trad er een wet in werking die het particulieren toestond om windturbines te bouwen’, vertelt Reinbold-Mench. Dat leidde tot de oprichting van een stichting van de landeigenaren van het dorp, met als oogmerk het samen bouwen van windmolens. In 2001 verrezen de allereerste exemplaren. Inmiddels staan er in totaal veertien stuks in de gemeente, die in 2014 in totaal 21 miljoen kWh opwekten – ter vergelijking: in dat jaar verbruikte het dorp 12 miljoen kWh.

Meedelen in de opbrengst

Het samenwerkingsmodel van de boeren is bijzonder, vertelt de burgemeester met zichtbaar genoegen. ‘De eigenaar van de grond waarop de windturbine komt te staan, ontvangt natuurlijk het grootste bedrag. Maar de stichting besloot om ook de eigenaren van de lappen grond die daaraan grenzen, mee te laten delen in de opbrengst van de windstroom. Verder krijgt onze gemeente korting op bepaalde belastingen. Die dingen verklaren het succes, denk ik. Hadden we alleen de grondeigenaren onder de turbines betaald, dan had dat zeker scheve gezichten gegeven.’

En hoe reageerden de mensen op de gigantische molens in hun voorheen paradijselijke landschap? ‘Dat ging vanaf het begin eigenlijk gemakkelijk. De bewoners hebben de turbines geaccepteerd, omdat ze er zeer geleidelijk zijn gekomen én omdat ze de voordelen ervan inzien. Nu krijgen we toeristen van over de hele wereld die naar onze windturbines komen kijken. Boeren geven rondleidingen aan deze energietoeristen.’

Meeste zonuren

De daken van de meeste boerderijen in Freiamt liggen vol met zonnepanelen. Valt zoiets in Nederland misschien nog op, hier is het zo gewoon geworden dat je er niet meer van opkijkt. Het opwekken van zonne-energie is hier zo goed van de grond gekomen, omdat Zuidwest-Duitsland de meeste zonuren van het land heeft. Niet alleen liggen de daken van veel huizen vol, er zijn ook zonneparken ontwikkeld met soms tienduizenden panelen. Wellicht logisch dus dat het Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Baden-Württemberg is gevestigd, in Freiburg om precies te zijn.

Het Fraunhofer-Institut, met vestigingen verspreid over heel Duitsland, is te vergelijken met TNO in Nederland: het moet de kloof dichten tussen fundamenteel universitair onderzoek en de industrie. Iets ten noorden van het stadscentrum van Freiburg beslaat dit instituut meerdere grote gebouwen. Op bijna elk dak van de veelal zeer moderne gebouwen zijn zonnepanelen in alle soorten, maten en kleuren te zien: de bekende blauwe van silicium, maar ook de meer exotische constructies waarbij zogeheten fresnellenzen het zonlicht bundelen op zeer kleine, maar efficiënte zonnecelletjes.

‘Op die daken testen onze onderzoekers de nieuwste systemen in de praktijk’, vertelt woordvoerder Karin Schneider MA van het Fraunhofer-Institut ür Solare Energiesysteme. Dat is met zo’n 1200 medewerkers het naar eigen zeggen grootste onderzoeksinstituut in Europa dat zich vooral richt op zonne-energie. De helft van de onderzoekers is bezig met fotovoltaïsche techniek, de rest met gerelateerde onderwerpen als energiedistributie en energiezuinige gebouwen. ‘En energieopslag uiteraard, want die gaat een cruciale rol spelen in de verduurzaming van onze energievoorziening’, zegt Schneider. Bij Fraunhofer proberen ze onder meer de technologie van accu’s te verbeteren en werken ze aan het tijdelijk opslaan van elektriciteit in waterstof of methanol. Daarvan is vlak naast de Fraunhofer-gebouwen een demonstratie te zien: onder een dak van zonnecellen staat een installatie die stroom omzet in waterstofgas (zie foto). Waterstofauto’s kunnen er tanken – de gemeente Freiburg heeft er die rondrijden.

In Duitsland schijnt vaak diffuus zonlicht en dan maakt de oriëntatie van zonnepanelen veel minder uit

Veldje vol zonnepanelen

Zo’n 150 km naar het noorden bevindt zich het Karlsruher Institut für Technologie (KIT), tegelijk technische universiteit van aanzien en onderzoeksinstituut. Saillant detail: vroeger werd op dit terrein onderzoek gedaan naar de opwekking van kernenergie. Aan de rand van de KIT-campus ligt nu een bijzonder veldje vol zonnepanelen, met een maximale opbrengst van 1 MW. Maar op het eerste gezicht klopt er iets niet. Het lijkt een rommeltje: elke rij staat in een iets andere richting, elk donkerblauw paneel wijst onder een andere hoek naar de hemel. Vreemd, want de zonneparken die we kennen, bestaan uit kaarsrechte rijen zonnepanelen, allemaal met hun oppervlak naar het zuiden gericht.

‘Dit is een testpark, waar we onderzoeken wat in praktijkomstandigheden de opbrengst is van panelen onder verschillende hoeken’, zegt dr. Olaf Wollersheim, bij KIT leider van het project Competence E, dat zich richt op energieopslag. Dat levert nuttige en soms zelfs verrassende inzichten op. Zo blijkt dat deze configuratie in de praktijk voordelen kan hebben: panelen in een zonnepark naar verschillende richtingen laten wijzen is een manier om de gedurende de dag sterk wisselende opbrengsten van zonne-energie te spreiden. In de ochtend zorgen de oostwaarts gerichte panelen voor het leeuwendeel van de opbrengst, in de middag de naar het westen gerichte. En nog verrassender: het blijkt veel minder uit te maken dan altijd werd gedacht of een paneel precies op het zuiden gericht staat of een beetje een andere kant op wijst. ‘We hebben in Duitsland vaak diffuus zonlicht door de bewolking en dan maakt de oriëntatie van de panelen veel minder uit’, zegt Wollersheim.

Opwekking en opslag

Met de opwekking van zonne-energie houdt het niet op; het KIT onderzoekt hier ook het samenspel tussen opwekking en opslag. Aan de rand van het terrein staan daarvoor drie kleine witte containers. Hierin zitten enkele forse battery packs, bestaande uit state-of-the-art lithiumionaccu’s, samen goed voor een opslagcapaciteit van 50 kWh. Wollersheim: ‘Door de panelen in een halve cirkel te plaatsen is er de hele dag opbrengst, maar ’s nachts natuurlijk niets. Daarvoor kunnen accu’s dienen. Daarnaast vangen de accupakketten overdag de fluctuaties op die ontstaan in de zonneopbrengst. Zo kunnen we steeds precies het vermogen aan het net leveren dat de operator verlangt.’

Dit principe van zonnepark plus accupakket wilde het KIT voor het eerst in de praktijk toepassen op een Grieks eilandje dat zijn elektriciteit nu nog met dieselgeneratoren opwekt. De overvloedige zon plus de accu’s zouden samen een schone en betrouwbare oplossing vormen voor het eiland om in zijn eigen stroomvoorziening te voorzien. De plannen waren vergevorderd, maar de Griekse crisis gooide roet in het eten. ‘Zeer spijtig, het project staat on hold; de apparatuur staat nog steeds in een Griekse haven’, aldus Wollersheim.

Bosbouw

In het hart van Baden-Württemberg, onder Stuttgart, ligt de Hochschule für Forstwirtschaft Rottenburg, een kleine hogeschool die zich volledig richt op bosbouw. De campus ligt rond een historisch gebouw uit de elfde eeuw, destijds een klooster, dat na een brand eind zeventiende eeuw opnieuw werd opgebouwd. In de jaren dertig van de vorige eeuw zetelde er een school voor de SA; op de buitenmuur is nog de omtrek van de Duitse adelaar te ontdekken. Nu is het oude kasteel omgeven door enkele moderne, grotendeels uit hout opgetrokken gebouwen. Over de kleine campus lopen groepjes studenten met hun boekentassen. ‘Zie je de heuvels om ons heen? Dat zijn onze laboratoria’, grapt rector prof.dr.dr.h.c. Bastian Kaiser, die ons rondleidt. ‘Wij mogen van de gemeente Rottenburg de bossen gebruiken voor ons onderzoek.’

De duurzame samenleving van de toekomst is dan waarschijnlijk grotendeels geëlektrificeerd, bij het verwarmen van huizen gaat biomassa ook een rol spelen, zo voorziet Duitsland. In de energiemix zal biomassa een redelijk belangrijke rol innemen, met 8% in 2020. De deelstaat haalt die biomassa onder meer uit speciaal voor dit doel geplante bossen. Daarnaast zijn er afvalstromen die ook prima zijn te verbranden, zoals het zaagsel van houtzagerijen en snoeihout van bomen en struiken rond spoorlijnen.

Hout verbranden

Bekende en uitontwikkelde technologie zou je denken. Mis, in Rottenburg werken ze aan het finetunen van de technologie voor het verbranden van hout, in allerlei hoedanigheden – blokken, snippers en uit pulp geperste pellets. ‘Het verbranden van biomassa is een goed idee, maar de emissies van ovens zijn nog steeds te hoog’, zegt Kaiser. Er komen te veel stikstofoxiden en fijn stof in de lucht terecht. ‘Gemiddeld over het land mag je biomassa wel CO2-neutraal noemen – dat is een sterk punt – maar dat is niet het geval in de omgeving waar biomassa wordt verbrand.’ Daarom testen onderzoekers nieuwe filtersystemen op verschillende commercieel verkrijgbare ovens. Ook variëren ze de parameters van het verbrandingsproces met als doel om de uitstoot schoner te maken. Kaiser: ‘Uiteindelijk willen we systemen ontwikkelen die gemakkelijk vele verschillende typen biomassa kunnen verbranden, met een beperkte uitstoot.’

Synthetische brandstoffen

Biomassa kan ook een rol spelen om de CO2-uitstoot te reduceren die vrijkomt bij het produceren van brandstoffen voor vervoer. De auto zal vermoedelijk wel elektrisch worden, maar een vliegtuig blijft nog lange tijd afhankelijk van fossiele brandstoffen. Een deel daarvan is synthetisch te maken uit biomassa. Op de KIT-campus staat daarvoor een splinternieuwe proeffabriek van 64 miljoen euro, die stro en houtpulp gaat omzetten in synthetische brandstoffen, van diesel tot kerosine – de zogeheten tweede generatie biobrandstoffen (de eerste was gebaseerd op voedselgewassen en was daardoor niet het beste idee).

Dat gebeurt in twee stappen. De biomassa wordt eerst middels pyrolyse omgezet in een stroperige, bijna zwarte vloeistof, die op het oog veel wegheeft van ruwe olie – het halffabricaat. ‘We hebben gekozen voor deze tussenstap, omdat het niet efficiënt is om stro of houtpulp te transporteren. Daarvan is de energiedichtheid veel te laag’, vertelt prof. Nikolaus Dahmen, wetenschappelijk coördinator van het KIT-project. Vervolgens gaat het halffabricaat onder een druk van 80 bar en bij een temperatuur van 1200 °C over in syngas, een mengsel van koolmonoxide en waterstof. Dat is een grondstof waaruit verschillende brandstoffen zijn te maken, maar die die ook kan dienen als grondstof voor plastics. ‘Biobrandstoffen zullen nooit alle fossiele brandstoffen vervangen, maar we denken dat 25% haalbaar moet zijn’, zegt Dahmen. Dat zet wel degelijk zoden aan de dijk bij het verder terugdringen van de CO2-uitstoot.

Foto's: Elektrizitätswerk Mittelbaden AG & Co. KG, Rainer Lippert, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, Karlsruher Institut für Technologie.